申恒瑞，曹鳳才，岳鳳英，李 玲

(中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，山西太原 030051)

0 引言

隨著微納加工和微系統(tǒng)集成技術(shù)的不斷進(jìn)步，硅基光電子器件憑借其成本低[1-2]、工藝兼容性好[3-4]、微納光學(xué)特性良好[5]等優(yōu)勢(shì)，成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。其中，基于SOI環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)因?yàn)橄嗷ジ蓴_度較低、系統(tǒng)穩(wěn)定、品質(zhì)因數(shù)高等特點(diǎn)，成為了硅基光電子器件中重要的基礎(chǔ)原件，在眾多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用[6-8]。

近年來(lái)，隨著微納傳感器研究的不斷深入，理論及實(shí)驗(yàn)研究都發(fā)現(xiàn)，在微環(huán)諧振腔傳感器中發(fā)生類似于原子系統(tǒng)中的相干效應(yīng)[9]，即為耦合誘導(dǎo)透明效應(yīng)(CRIT)[10]。目前，雖然關(guān)于CRIT效應(yīng)的研究較多，但是大部分還是處于理論研究以及基本實(shí)現(xiàn)的階段。本文設(shè)計(jì)并加工了一種串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，分析了環(huán)形諧振器的半徑對(duì)實(shí)現(xiàn)CRIT效應(yīng)的影響，同時(shí)為優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面光滑度進(jìn)行了研究，這些為制備生物傳感器、全光開(kāi)關(guān)、光學(xué)濾波器等均有非常重要的意義[11-13]。

1 理論分析

圖1為單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)與串聯(lián)雙微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，在串聯(lián)雙微環(huán)結(jié)構(gòu)中，光波由下直波導(dǎo)輸入端輸入(Input)，經(jīng)環(huán)形耦合器1，一部分能量的光進(jìn)入環(huán)形波導(dǎo)，經(jīng)過(guò)環(huán)形耦合器2，將一部分能量的光由下載端輸出(Drop)，而環(huán)內(nèi)剩余另一部分能量的光又經(jīng)過(guò)耦合器1由下直波導(dǎo)直通端輸出(Through)。本文利用耦合傳輸理論，將微環(huán)諧振腔系統(tǒng)與產(chǎn)生電磁誘導(dǎo)透明的原子能系統(tǒng)進(jìn)行比較，分析串聯(lián)雙環(huán)諧振系統(tǒng)中的諧振腔耦合誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。

(a)單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖

(b)串聯(lián)環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖圖1 單環(huán)諧振腔與串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)耦合模式理論[14]，單環(huán)耦合雙波導(dǎo)環(huán)形諧振腔Drop端和Through端透射振幅比分別為：

(1)

(2)

式中：α為損耗系數(shù)；δ為歸一化頻率；r為反射耦合系數(shù)；t為傳輸耦合系數(shù)。

r與t之間的關(guān)系滿足r2+t2=1。Drop端和Trough端的透射振幅比的有效相位分別為：θD=-arg(d)，θT=-arg(τ)。Drop端和Trough端的透射功率比可分別表示為：D=|d|2,T=|τ|2。

對(duì)于串聯(lián)雙微環(huán)結(jié)構(gòu)，其實(shí)是在單環(huán)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)微環(huán)，設(shè)新加入的微環(huán)對(duì)系統(tǒng)影響為τ21：

(3)

由此得串聯(lián)雙環(huán)透射功率的表達(dá)式[15]:

(4)

圖2為微環(huán)半徑均為20 μm時(shí)單環(huán)與串聯(lián)雙環(huán)透射譜線。在單環(huán)系統(tǒng)中由于諧振，透射率降低，在諧振點(diǎn)處透射率最低，即吸收最大。而在串聯(lián)雙環(huán)結(jié)構(gòu)中，在諧振點(diǎn)處發(fā)生了透射率的譜線分裂，在單環(huán)透射率最低點(diǎn)的位置出現(xiàn)了透射率的突變，使得在諧振波長(zhǎng)的兩邊出現(xiàn)透射率最低波谷的現(xiàn)象，該現(xiàn)象即為CRIT效應(yīng)。

(a)單環(huán)諧振腔透射光譜

(b)串聯(lián)雙環(huán)諧振腔透射光譜圖2 單環(huán)和串聯(lián)雙環(huán)諧振腔透射光譜

2 設(shè)計(jì)與制備

由于絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)在垂直方向上的光局域能力很強(qiáng)，穩(wěn)定性好，導(dǎo)光性能好，便于集成，因此本次波導(dǎo)加工工藝材料選擇頂層硅為220 nm，掩膜層厚度為3 μm的SOI基片進(jìn)行加工制備。制備主要分為兩個(gè)階段，第一階段主要通過(guò)SOI基片預(yù)處理、涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl Methacrylate，PMMA)光刻膠、電子束光刻、顯影、定影、深硅刻蝕(inductively coupled plasma，ICP)、波導(dǎo)芯區(qū)濕法去膠等工藝獲得串聯(lián)雙環(huán)諧振腔基本結(jié)構(gòu)。圖3分別為掃描電鏡下單環(huán)、雙環(huán)光波導(dǎo)諧振腔的結(jié)構(gòu)圖，雙環(huán)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由直徑大小分別為10 μm、20 μm的諧振腔和一對(duì)與之平行耦合的波導(dǎo)構(gòu)成。波導(dǎo)和環(huán)腔的寬度分別為500 nm和600 nm，直波導(dǎo)和環(huán)腔之間的距離為129 nm。

圖3 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光柵結(jié)構(gòu)SEM圖

第二階段為表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，主要步驟為300～900 ℃熱氧化退火緩沖刻蝕液(buffered oxide etch，BOE)濕法腐蝕以及1 000 ℃高溫N2退火等，以降低波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面粗糙度。為研究表面粗糙度對(duì)于Q值的影響，利用仿真軟件，基于時(shí)域差分法對(duì)光波導(dǎo)表面粗糙度與Q值之間關(guān)系進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖4所示。

(a)整體結(jié)構(gòu)圖

(b)側(cè)壁形貌圖

通過(guò)軟件仿真發(fā)現(xiàn)，隨著表面均方根粗糙度增加，諧振環(huán)吸收峰逐漸變寬，幅值減小，表明其品質(zhì)因子Q逐漸減小，如圖5所示。通過(guò)估算發(fā)現(xiàn)粗糙度對(duì)Q值影響最大可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)諧振點(diǎn)位置產(chǎn)生變化，圖中rms為表面均方根粗糙度。

圖5 不同粗糙度下，仿真模型的透射譜

針對(duì)熱氧化過(guò)程中溫度、氧化速度、薄膜厚度及清洗過(guò)程與波導(dǎo)表面光滑程度的關(guān)系，開(kāi)展了熱氧化工藝的研究，工藝流程溫度曲線圖如圖6所示。

圖6 熱氧化工藝溫度曲線圖

在900 ℃，對(duì)SOI微環(huán)腔進(jìn)行了33 min的熱氧化處理，氧化深度為18 nm左右。氧化后，運(yùn)用BOE溶液(HF∶NH4F=20∶1)進(jìn)行表面SiO2層的去除，應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)氧化前后的硅片表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，相比氧化前，粗糙度從1.16 nm降低到0.545 nm。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用垂直光柵的耦合輸入和輸出的方式進(jìn)行光纖和波導(dǎo)的耦合對(duì)接，實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示?；緶y(cè)試步驟為：光信號(hào)從中心波長(zhǎng)為1 550 nm的TLB6700可調(diào)諧激光器輸出，經(jīng)摻鉺光纖放大器放大一定倍數(shù)后，通過(guò)直徑為10.4 μm的單模光纖導(dǎo)入垂直耦合光柵，通過(guò)CCD觀察，操縱五維高精度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整，使耦合效率達(dá)到最高。值得注意的是，與納米波導(dǎo)光柵垂直耦合時(shí)所采用的單模光纖為透鏡光纖，其功能是可以很好地把光信號(hào)聚集輸入到波導(dǎo)光柵上，顯著地降低了垂直光柵耦合的插入損耗。在輸出端，利用與輸入端相同的光柵耦合器將光信號(hào)輸出到單模光纖中，后經(jīng)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在示波器上輸出譜線。

(a)1.16 nm

(b)0.545 nm圖7 熱氧化前后硅表面粗糙度AFM測(cè)試圖

圖8 微腔測(cè)試平臺(tái)示意圖

在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上分別測(cè)試單環(huán)和串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以得出，當(dāng)單環(huán)結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于兩環(huán)的相消干涉，透射光譜產(chǎn)生了明顯的類電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，通過(guò)計(jì)算得到，雙環(huán)結(jié)構(gòu)其中一個(gè)諧振峰的半高全寬比單環(huán)結(jié)構(gòu)提高了3倍，并且Drop端消光比提高了20 dB。

通過(guò)改變微環(huán)半徑分析對(duì)CRIT效應(yīng)的影響，設(shè)定上環(huán)半徑為20 μm，改變下環(huán)半徑，不同半徑下的輸出譜線如圖10所示。

(a)單環(huán)

(b)串聯(lián)雙環(huán)圖9 單環(huán)和串聯(lián)雙環(huán)諧振器的透射光譜圖

(a)10 μm

(b)10.01 μm

(c)10.03 μm圖10 不同半徑下諧振分離現(xiàn)象

從圖中可以看出，隨著微環(huán)半徑的變化，出現(xiàn)諧振分離現(xiàn)象。這是因?yàn)楫?dāng)兩環(huán)半徑不同時(shí)，耦合進(jìn)入微環(huán)的光在兩個(gè)微環(huán)諧振腔中的光程不同，因此光的有效相位也不相同，形成的諧振峰值也不同。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，兩環(huán)之間存在正諧振和反諧振兩種狀態(tài)。正諧振使輸出的能量增強(qiáng)，反諧振使輸出的能量減弱，因此得到的輸出譜線能觀察到明顯的諧振分離現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并加工了一種串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)高溫退火對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了光滑化處理，波導(dǎo)粗糙度由1.16 nm降低為0.545 nm，同時(shí)分析并驗(yàn)證了CRIT效應(yīng)，并通過(guò)改變環(huán)形諧振器的直徑分析了諧振分離現(xiàn)象。